Foco sobre as partículas
robótica
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Yousub Lee Investigador pós-doutoramento no Laboratório Nacional de Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory) leey@ornl.gov © TRUMPF
portugal 3d
Como funciona realmente a deposição de metais a laser e a fusão de metais a laser? Duas simulações ajudam a clarificar os processos físicos envolvidos. O objetivo? Melhorar a reprodutibilidade e a qualidade da superfície em ambos os métodos.
Especialmente em situações de utilização de materiais metálicos dispendiosos, a produção aditiva a laser (Laser Additive Manufacturing – LAM) é um processo de produção ideal, dado que cria peças em 3D complexas próximas da forma final e diretamente a partir dos dados de desenho assistido por computador (Computer-Aided Design – CAD). Em contraste, os métodos convencionais exigem que as peças consoantes à montagem sejam concluídas com ferramentas de maquinagem. Apesar deste benefício único, uma aplicação mais geral do LAM não foi possível dado que as peças de produção aditiva ainda possuem defeitos, como por exemplo, porosidade e protuberâncias, o que também exige acabamento. Adicionalmente, a dificuldade de prever as tolerâncias dimensionais e as propriedades do material não homogéneo das peças finais dificulta a utilização industrial extensiva da LAM. Ultrapassar estes problemas obriga a uma compreensão quantitativa da relação entre parâmetros de processo, transferência de calor, fluxo de metal derretido, banho de fusão e microestrutura de solidificação. No entanto, a observação experimental de fenómenos físicos é muito difícil dado que os banhos de fusão de LAM são inerentemente locali-
zados e transientes. Adicionalmente, as medições in situ de variáveis de fluidos e térmicas utilizando câmaras óticas e de infravermelhos podem, tipicamente ser recolhidas apenas na superfície do banho de fusão.
"Graças às simulações finalmente compreendemos todos os parâmetros de processo relevantes."
A abordagem de modelação numérica, no entanto, pode fornecer distribuições de temperatura em 3D, velocidades de fluidos, forma do banho de fusão e condições de solidificação (gradiente de temperatura G e taxa de solidificação R), a qualquer momento e para qualquer localização. Infelizmente, muitas simulações numéricas anteriores que se focavam em processos de fusão ou laser não tinham em conta os detalhes das caraterísticas do processo LAM.
NO BANHO DE FUSÃO A deposição de metais a laser (Laser Metal Deposition – LMD) e a fusão de metais a laser (Laser Metal Fusion – LMF) são processos que utilizam partículas de pó e um raio laser para formar uma camada de depósito. A interação entre o laser, pó e substrato deve ser incorporada nas simulações LAM. Nos sistemas LMD, as partículas de pó interagem com o raio laser durante o seu voo para o banho de fusão. A interação atenua a energia do raio laser através de reflexão, absorção e radiação. Adicionalmente, a eficácia de captação (razão da área entre o banho de fusão e o jato de pó) deve ser acomodada na simulação LMD, dado que as partículas de pó que atingem o banho de fusão, apenas são utilizadas para formar a camada de depósito.
Figura 1. Formam-se protuberâncias no banho de fusão durante a impressão em 3D. (Fonte: Yousub Lee)